【摘要】 设计铅碳电池作为实验室的升级是储能研究的一个重要领域

迫切需要开发低成本、可靠和可持续的能源生产和储存设备，以满足日益增长的能源消耗需求。基于电池的储能系统具有高功率/能量密度和优异的循环效率，有望在我们的日常生活中发挥重要作用。与其他传统电池系统相比，铅酸电池（LAB）经常被忽视，并被视为技术潜力最小的过时技术。尽管如此，从新特性、可靠性、燃料和成本节约的角度来看，对实验室的研究仍在继续，包括吸收性玻璃材料、淹没电池和电池管理系统的开发。然而，需要创新策略来满足新工业应用日益严格的要求。

 

设计铅碳电池作为实验室的升级是储能研究的一个重要领域。LCB的成功实施可以促进汽车工业等重要部门的几项新技术创新。基于图1所示的参数，有几种协议可用于评估广泛应用的电池性能。对实验室的研究提供了利用其关键优势的机会，例如具有优异安全性能的可靠度、易于组装以及提供优异性能的广泛可用活性材料和电极，即比能（30–40 Wh Kg−1）、能量密度（约60–75 Wh L−1），功率密度（约180 W Kg−1）和效率（约80%–90%）[12]。

 

相比之下，LAB最初成本较低，市场份额为60%，是一种传统的二次电池，预计到2026年市场价值约为800亿美元。此外，实验室可以通过提供化石能源的替代品来减少二氧化碳排放。值得注意的是，E. Karden等人[1]提出实验室比锂离子电池（LIB）更具可持续性。LAB受益于较低的加工成本和较高的回收率，因为LAB约占全球总产量的85%，而回收铅约占总铅产量的60%。此外，实验室很容易分离，含铅成分也很容易从塑料容器中回收。回收是完全的，材料的再利用可以用相对较低的能量输入到工艺中来实现，从而减少铅对环境的排放。相比之下，LIB的资源回收具有挑战性，目前正在实验室规模上运行。

 

图1 作为储能系统的理想电池的性能金字塔

 

碳基材料已被开发并成功应用于广泛的领域。石墨烯和其他2D材料由于其非凡的物理、化学和电化学性能，在能源相关应用中尤其显示出巨大的潜力。LCB具有增强的容量，高导电性，并且具有结晶碳相，其在单个低成本单元中结合了具有超级电容器的高比强度的高能量密度（图2）。在LCB中，碳的重要作用是充当电容性材料，因为它们的固有特性（如边缘、空位和sp3效应）可以提高电池在储能应用中的性能和效率。

 

LCB研究的主要目标是通过研究含有碳的负极和正极的传统铅酸化学物质来延长LAB循环寿命。K. Wr´obel等人[2]提出碳成分不会改变基本的电化学性质，但会增加其比容量，并减少放电循环中硫酸化的发生。LCBs的研究主要有三个主题：（a）将碳添加剂与硫酸铅浆混合改性负极；（b） 通过用碳组件替换铅基负极和正极来修改它们；以及（c）将负电极分裂成模型电极和碳电极。

 

图2 混合电极：在负极和正极中加入碳基材料，以增强电池性能

 

[1] E. Karden, Development trends for future automobiles and their demand on the battery. Lead-acid Batter, Futur. Automob., 2017.

[2] K. Wr´obel, A. Czerwinski, Application of modified with copper porous carbon matrix on lead-acid battery, Int. J. Electrochem. Sci. (2016).

 

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